【導讀】絕大多數機電或半導體負載都需要穩定的 DC-DC 電壓轉換及嚴格的穩壓

，才能可靠運行。執行該功能的 DC-DC 轉換器通常稱作負載點 (PoL) 穩壓器，其設計了最大輸入電壓規範和最小輸入電壓規格，該規格定義了它們的穩定工作範圍。這些穩壓器的供電網絡 (PDN) 的複雜性可能會因負載的數量和類型、整體係統架構、負載功率級
、電壓（轉換級）以及隔離和穩壓要求的不同而不同。

絕大多數機電或半導體負載都需要穩定的 DC-DC 電壓轉換及嚴格的穩壓，才能可靠運行。執行該功能的 DC-DC 轉換器通常稱作負載點 (PoL) 穩壓器，其設計了最大輸入電壓規範和最小輸入電壓規格
，該規格定義了它們的穩定工作範圍。這些穩壓器的供電網絡 (PDN) 的複雜性可能會因負載的數量和類型、整體係統架構
、負載功率級


、電壓（轉換級）以及隔離和穩壓要求的不同而不同。

許多電源係統設計人員將穩壓的 DC-DC 轉換器視為其整體係統設計的關鍵。但將正確的電壓提供給 PoL 穩壓器，不一定都需要 PDN 穩壓，或者對於中間配電母線電壓而言，也不是強製性的。考慮這一點時
，電源係統工程師應該考慮實施固定比率 DC-DC 轉換器
，其可為整體 PDN 性能帶來顯著的優勢。

PDN 性能通常以功耗
、瞬態響應、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響 PDN 性能的一個主要設計挑戰是網絡需要電壓轉換及嚴格線路／負載穩壓的次數。工程師用大量時間來優化大型電壓轉換
、動態穩壓和配電質量，以實現高性能和高可靠性。

如果係統負載功率在幾千瓦範圍內，設計大型 PDN 來處理高壓，會減少係統必須分配的電流 (P= V×I)。結果會縮減 PDN 尺寸、重量和成本（線纜、母線、主板銅箔電源層）(PLOSS = I2R)。因此
，設計人員通常會努力使盡可能多的電路在高電壓/小電流下工作，隻在接近負載的地方將其轉換為低電壓/大電流。

但要讓高壓


、高功率 PDN 靠近負載，則需要高效率和高功率密度的 DC-DC 轉換器。如果電路需要很大的電壓步降
，比如從 800V 或 400V 降至 48V，那(na)麼(me)能(neng)夠(gou)完(wan)成(cheng)這(zhe)項(xiang)工(gong)作(zuo)並(bing)具(ju)有(you)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)將(jiang)是(shi)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。這(zhe)些(xie)轉(zhuan)換(huan)器(qi)不(bu)提(ti)供(gong)穩(wen)壓(ya)
，功(gong)耗(hao)極(ji)少(shao)。其(qi)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)優(you)點(dian)可(ke)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)更(geng)便(bian)捷(jie)的(de)熱(re)管(guan)理(li)。

何為固定比率轉換器？

圖 1：雙向固定比率轉換器的工作原理與 K=1/16 的降壓轉換器一樣
，也可用作 K=16/1 的升壓轉換器。

固定比率轉換器的工作原理與變壓器極為相似
，但它執行的不是 AC-AC 轉換，而是 DC-DC 轉換，輸出電壓為固定比例的 DC 輸入電壓。與變壓器一樣
，這種轉換器不提供輸出電壓穩壓
，輸入至輸出變壓由器件的“匝數比”決定。該匝數比稱為 K 因數
，表示為一個相對於其電壓降壓能力的分數。K 因數從 K=1 到 K=1/72 不等，可根據 PDN 架構及 PoL 穩壓器設計規格進行選擇。典型的 PDN 電壓分為低電壓 (LV)
、高電壓 (HV) 以及超高電壓 (UHV)。

固定比率轉換器可以是隔離的
，也可以不是隔離的
，可通過反向電壓轉換實現雙向功率流。例如，一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉換器可作為一款 K=16/1 的升壓轉換器運行。

圖 2：BCM 輸出串連以提高輸出電壓，從而實現更高的設計靈活性。

圖 3：BCM 轉換器可輕鬆並聯，滿足更高的電源需求。

額外的設計靈活性包括易於並聯以滿足更高的電源要求， 以及通過改變 K 因數將轉換器串聯轉以提供更高的輸出電壓等。

眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升，因此供電網絡正在經曆重大變革。電動汽車 (EV)、輕度混合動力汽車和插電式混合動力汽車正在使用 48-V 等更高 PDN 電壓。48V 電壓符合許多係統要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標準，而 P = V×I 和 PLOSS = I2R 的簡單電源方程式也說明了高壓 PDN 效率更高的原因。

對於給定功率水平而言
，與 12V 係統相比，48V 係統電流低至1/4、功耗低 至1/16 。在 1/4 的電流下，線纜和連接器可能會更小、更輕
，而且成本也很低。用於混合動力汽車的 48V 電池功率是 12V 電源的 4 倍
，增加的功率可用於供電鏈應用，以減少 CO2 排放，提高燃油裏程數並執行新的安全與娛樂特性。

數據中心新增人工智能 (AI)
，使得機架功耗超過了 20kW，進而使得 12-V PDN 的使用變得笨重、低效。使用 48-V PDN 在這裏帶來的優勢與混合動力汽車相同。在汽車和數據中心應用中
，最好保留原有 12-V 負載及 POL 常用降壓穩壓器，以最大限度減少變化。

48V 符合 SELV 標準，因此非隔離固定比率轉換器是 48V 至 12V DC-DC 轉換的理想之選，因為當前的 PoL 12V 穩壓器能夠應對輸入電壓的變化。非隔離
、未(wei)穩(wen)壓(ya)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)是(shi)最(zui)高(gao)效(xiao)的(de)大(da)功(gong)率(lv)母(mu)線(xian)轉(zhuan)換(huan)器(qi)
，可(ke)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)
，提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。其(qi)高(gao)密(mi)度(du)有(you)助(zhu)於(yu)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)使(shi)用(yong)最(zui)新(xin)分(fen)布(bu)式(shi)配(pei)電(dian)架(jia)構(gou)，其(qi)中(zhong)非(fei)隔(ge)離(li)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)布(bu)置(zhi)在(zai)負(fu)載(zai)旁(pang)邊(bian)，讓(rang)整(zheng)個(ge)汽(qi)車(che)實(shi)現(xian)更(geng)小(xiao)規(gui)模(mo)、更高效的 48-V PDN 走線。在刀片服務器中，小型非隔離式 48V 至 12V 固定比率轉換器可布置在主板上靠近降壓穩壓器的位置。

許多全新 AI 加速卡

，如 NVidia 的 SXM 以及開放式計算計劃 (OCP) 成員的 OAM 卡，都設計為 48V 輸入，因為 AI 處理器功耗在 500 至 750W 之間。仍然在其機架中使用 12V PDN 背板的雲計算公司和服務器公司需要 12 至 48V 轉換
，才能使用這些高性能卡。為這些加速卡配備一款 K=1/4 的雙向非隔離固定比率轉換器，作為 12 - 48V 升壓轉換器 (K=4/1)，或為其配備一款更高功率的分布式 12 - 48V 模塊
，可使較早的機架係統集成 AI 功能。

需要隔離的高電壓應用

現在，全世界都布置了 4G 無線電及天線塔
，它們必須升級至新的 5G 係統，其功耗為 4G 設備 5 倍。4G PDN 為 48V，通過線纜從地麵電源係統提供。如果 PDN 保持在 48V, 5G 設備功耗的顯著增加將迫使使用大直徑的沉重電源線。因此，電信公司目前正在考慮使用 380-VDC PDN 顯著縮小線纜尺寸。

在升壓模式下使用雙向 K 1/8 固定比率轉換器
，可讓地麵 48V 電源係統向塔頂提供 380V 的電源（K：8/1）。塔頂的 380-V 至 48-V 穩壓轉換器，將允許 4G 和 5G 係統獲得 48-V 穩壓電源，並能讓該係統通過 380-V 細小電線實現更低成本的供電。

係留無人機是另一種需要隔離的高壓應用。係留無人機的電纜長度可以超過 400 米，無人機在飛行時必須提起這種線纜重量。使用諸如 800V 等高電壓，有助於縮減係留電纜的尺寸和重量。一款緊湊型板載固定比率轉換器，通常 K=1/16，可將電源降至 48V
，用於機載電子產品和視頻有效負載。

電動汽車具有很高的功率要求
，因此 400V 是電池電壓的常見選擇。400V 隨後轉換為 48V，配送給動力係統及底盤周圍的不同負載。為實現快速充電，400V 電池由具有 800VDC 穩壓輸出的充電站通過 800V 至 400V 的轉換器充電。

圖 5：分布式 48V 架構將多個功耗更低的更小轉換器布置在接近 12V 負載的位置。

在 400/48-V 和 800/400-V 應用中
，具有高功率密度
、效率超過 98% 的一係列並聯的隔離式 K：1/8(400/48) 和 K：1/2 (800/400) 固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi可ke高gao效xiao工gong作zuo。穩wen壓ya既ji可ke在zai固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi前qian麵mian執zhi行xing，也ye可ke在zai其qi後hou麵mian執zhi行xing。此ci外wai，不bu提ti供gong穩wen壓ya的de功gong率lv密mi度du和he效xiao率lv增zeng益yi還hai可ke簡jian化hua熱re管guan理li。

百萬兆級高性能計算 (HPC) 係統機架功率級通常高於 100kW，因此使用 380VDC 作為主要的 PDN。在這些應用中，K：1/8 與 K：1/16 的隔離式固定比率轉換器可能集成在刀片服務器中，也可能集成在通過機架配電的夾層卡上，為主板提供 48V 或 12V 電源。隨後通過 12-V 多相降壓轉換器陣列或更高效率的先進 48-V 至 POL 架構穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在使這類 PDN 架構實現高性能的過程中發揮重要作用。

圖 6：Vicor NBM2317 可實現 48V 和 12V 之間的高效雙向轉換
，因為它是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在 48V 基礎架構中

，也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機架中。

‍電源的高增長產業中的少數幾個。這些應用有一個共同點：每個市場都有極大的電力需求，都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉換器中獲得巨大優勢：不僅可節省空間
，而且還可減輕重量。電源係統工程師應當把固定比率轉換器作為實現高性能 PDN 的重要高靈活途徑，其可提供極具競爭力的整體係統性能優勢。

（來源：Vicor，作者：Power Electronic TIps）

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